CN110899718A - 一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,包括如下步骤:将钴盐溶于去离子水中配制成钴离子溶液,将酒石酸钾钠溶于去离子水中配制成酒石酸钾钠溶液,将钴离子溶液与酒石酸钾钠溶液混合均匀,并加入碱液调节混合溶液的pH;在混合溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵,采用机械搅拌,使之充分溶解;将混合液加热,当温度达到40~70℃时,加入水合肼溶液进行反应,反应结束后,收集反应物粉末,即得到大粒径壳核结构钴颗粒。本发明方法简单,钴颗粒材料具有高表面积,可用在电磁屏蔽、电磁兼容,燃料电池催化等领域。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域,具体涉及一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法。
背景技术
作为一种传统的磁性材料,钴颗粒由于其优良的光、电、磁等物化特性,广泛应用在航空航天、电子器件、医疗等军民领域,目前是磁性材料领域的研究热点问题,已引起广大科研工作者的普遍关注。壳核结构钴颗粒是一种特殊钴颗粒材料,由于这种颗粒表面与内部在材料、结构等方面存在差异往往展现出不同的性能,如Co@SiO2材料表面为钴层,内部为二氧化硅,可用在电磁吸波领域,可同时充分利用钴材料磁损耗与二氧化硅材料介电损耗以达到衰减电磁波的目的。空心钴材料其表面为钴层,内部为空气,这种材料具有轻质的特点,同时增加内表面,导致整体表面增加,可用在化学催化领域。壳核结构钴颗粒令人鼓舞的特性激发了科研工作者的研发热情,探索不同方法制备出壳核结构钴颗粒。
Co@SiO2类型的壳核结构制备方法是选用合适的模板,采用化学镀、电镀及蒸镀等方法在表面沉积钴层,形成壳核结构。空心钴材料则在Co@SiO2类型的壳核结构制备方法基础之上,采用适当的方法去除模板,则形成空心结构。对于空心钴材料来说,其模板的选择至关重要,既要确保钴层可顺利沉积,又要保证模板去除方便,不过度破坏钴层,这样才能形成完整的空心钴结构。这两种制备壳核结构钴颗粒的方法缺点受制于模板性质。首先,粒径受模板影响;其次模板材料选择影响沉积工艺,如模板选择非金属或者有机物,在沉积钴层之前需对模板进行活化、敏化过程。对于空心钴材料来说,成功沉积钴层后,还需要去除模板的工艺,工艺繁琐,难以推广。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,通过利用水合肼在碱性环境中的强还原性,还原络合态钴离子,在表面活性剂作用下形成壳核结构钴颗粒。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,包括如下步骤:
(1)将钴盐溶于去离子水中配制成钴离子溶液,将酒石酸钾钠溶于去离子水中配制成酒石酸钾钠溶液,将钴离子溶液与酒石酸钾钠溶液混合均匀,并加入碱液调节混合溶液的pH为8-13,其中,所述酒石酸钾钠与钴离子的质量比为1~6:1;
(2)在步骤(1)的混合溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵,采用机械搅拌,使之充分溶解;
(3)将步骤(2)的混合液加热,当温度达到40~70℃时,加入水合肼溶液进行反应,反应结束后,收集反应物粉末,即得到大粒径壳核结构钴颗粒。
本发明以酒石酸钾钠为络合剂,与钴离子形成络合物,从而确保钴离子在碱性溶液中能够稳定存在,钴盐与酒石酸钾钠的质量比例控制是本发明的关键之一。本发明钴盐与酒石酸钾钠的质量比例控制在1-6之间,如果比例小于1,酒石酸钾钠起不到络合作用,则在碱性环境中出现大量氢氧化钴沉淀,则反应过程中与水合肼反应的则为氢氧化钴,而不是络合态的钴离子,因此不能形成本申请涉及的壳核结构钴颗粒;如果钴盐与酒石酸钾钠比例大于6,则酒石酸钾钠具有较强的络合能力,减小反应速度,使得钴离子不能尽快转化成钴原子析出,也不能形成本申请涉及的壳核结构钴颗粒。另外除作为络合剂使用外,酒石酸钾钠还有一个重要作用,即作为阴离子表面活性剂与十六烷基三甲基溴化铵这一阳离子表面活性剂相互配合,在反应液中可形成有利于核壳结构钴颗粒生成的空间结构,如果酒石酸钾钠添加比例不当,则不利于这种空间结构形成,最终不能形成核壳结构的钴颗粒,因此本发明制备方法将钴盐与酒石酸钾钠质量比例控制在1-6之间时,最终有利于核壳结构的形成。
步骤(3)中反应的温度也是本发明的关键工艺参数。反应温度不能过低,过低则反应不能进行;反应温度也不能过高,过高则加速反应进行,使钴原子析出过快,均不能形成核壳结构钴颗粒。另外酒石酸钾钠与十六烷基三甲基溴化铵形成的空间结构为阴、阳离子之间的互相叠加搭建,若反应温度过高,则使得阴、阳离子运动加快,不利于空间结构的形成,因此本申请将反应温度控制在40-70℃之间。
在制备过程中应避免各种搅拌,通过搅拌可促使反应液在反应过程中确保浓度均匀,但在本发明范围内反应液浓度均匀则不利于壳核结构钴颗粒形成,这是由于搅拌导致酒石酸钾钠与十六烷基三甲基溴化铵形成空间结构遭到破坏所致。此外,加热方式采用水热方式,这样确保反应液温度保持均匀。还有应避免采用磁力搅拌装置搅拌加热,避免磁力搅拌装置磁场的影响。
优选地,所述钴盐选自氯化钴、硫酸钴或硝酸钴,配制成0.05~0.2mol/L的钴离子溶液,钴盐主要作为钴源提供钴离子,选择短链结构的阴离子钴盐,如氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子,避免使用长链结构的阴离子钴盐,如醋酸钴,苯磺酸钴等有机物钴盐,可消除阴离子链过长导致对酒石酸钾钠和十六烷基三甲基溴化铵的影响。
优选地,所述碱液为NaOH或KOH溶液,浓度为1~10mol/L,使混合溶液颜色呈透明红色或深红色。碱液主要用于调节反应液的pH值8-13。如果用量少,则导致反应液pH过小,导致反应速度减小,钴原子析出速度减慢;如果用量过多,则导致反应液pH过大,使反应液反应速度过快,钴原子析出速度过快,因此过小或过大均不利于形成核壳结构钴颗粒。
优选地,步骤(2)所述十六烷基三甲基溴化铵相对于混合溶液的用量为10-30g/L,进一步优选为12g/L,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂。
优选地,步骤(3)所述水合肼溶液相对于混合溶液的用量为10-100mL/L,进一步优选为20mL/L,水合肼为还原剂,用于还原钴离子。
优选地,步骤(3)加入水合肼溶液进行反应,反应液颜色由透明红色或深红色逐渐变浅时反应结束。
本发明的反应机理为:壳核结构钴颗粒的形成主要是由于酒石酸钾钠与十六烷基三甲基溴化铵在阴、阳离子相互作用下形成独特的空间结构,同时通过控制反应物浓度、配比及反应温度等工艺参数,调节钴离子转化钴原子速度,使钴原子按照一定的沉积速度在空间结构上有序沉积,并且随着反应的进行,由于反应液中反应物的浓度、配比发生变化,空间结构和钴原子沉积速度也在相应地发生“动态”改变,最终形成了内外形貌不一的壳核结构钴颗粒,且核为多级跨尺度的片层结构。因此,欲形成这种壳核结构钴颗粒,一是要形成这种独特的空间结构作为模板,二是要合理控制钴原子沉积速度,而要满足以上两点,均须对反应液及工艺参数提出较高的要求,而采用本发明公开的制备方法及特定原料选择、原料比例的控制,可制备得到性质较优的壳核结构钴颗粒产品。
本发明提出的壳核结构钴颗粒材料的制备方法,通过利用水合肼在碱性环境中强还原性还原络合态钴离子,在表面活性剂调控下成功制备出具有特殊形貌的壳核结构钴颗粒,其表面为钴层,内部为钴片层结构,制备过程简单,这种特殊形貌钴颗粒材料具有高表面积,可用在电磁屏蔽、电磁兼容,燃料电池催化等领域。
本发明具有以下有益效果:
(1)钴颗粒为壳核结构,且核为钴纳米片组装而成,这与现有技术成果有显著不同,且并未见类似形貌报道。这种结构的钴颗粒表面积更大,同样条件下用于催化效果更好;
(2)钴颗粒为大粒径,直径为50~100μm左右,可确保钴颗粒高比饱和磁化强度。一般来讲,磁性材料的比饱和磁化强度随粒径的减小而减小,本申请所涉及的钴颗粒为大粒径,可以保证磁性没有明显衰减;
(3)钴颗粒为多级跨尺度材料。钴颗粒整体粒径为50~100μm左右,而且核部分为钴纳米片组装而成,钴纳米片厚度为纳米尺度,且各向异性,具有多级跨尺度材料性能。
附图说明
图1为采用本发明方法制备得到的钴颗粒形貌图;
图2为采用本发明方法制备得到的钴颗粒表面形貌图;
图3为采用本发明方法制备得到的钴颗粒内部形貌图;
图4为采用本发明方法制备得到的钴颗粒XRD图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)采用去离子水配置0.05mol/L的钴离子溶液100mL;
(2)按照酒石酸钾钠:钴离子=1(质量比)配置酒石酸钾钠溶液100mL,并与(1)中钴离子溶液充分混合均匀;
(3)采用去离子水配置1mol/L NaOH溶液10mL,与(2)中溶液混合充分混合均匀,此时溶液颜色为透明红色或深红色;
(4)称量2g十六烷基三甲基溴化铵(CATB),加入到(3)溶液中,并采用机械搅拌,使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解;
(5)将(4)混合液放置在水浴锅中加热,当混合液温度达到40时,加入2mL水合肼溶液使反应进行,此时反应液出现大量气泡,反应液颜色由红色或深红色逐渐变浅;
(6)待反应结束后,收集反应物粉末,即为钴颗粒。
实施例2
(1)采用去离子水配置0.2mol/L的钴离子溶液100mL;
(2)按照酒石酸钾钠:钴离子=6(质量比)配置酒石酸钾钠溶液100mL,并与(1)中钴离子溶液充分混合均匀;
(3)采用去离子水配置10mol/L NaOH溶液10mL,与(2)中溶液混合充分混合均匀,此时溶液颜色为透明红色或深红色;
(4)称量6g十六烷基三甲基溴化铵(CATB),加入到(3)溶液中,并采用机械搅拌,使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解;
(5)将(4)混合液放置在水浴锅中加热,当混合液温度达到70℃时,加入20mL水合肼溶液使反应进行,此时反应液出现大量气泡,反应液颜色由红色或深红色逐渐变浅;
(6)待反应结束后,收集反应物粉末,即为钴颗粒。
实施例3
(1)采用去离子水配置0.05mol/L的钴离子溶液100mL;
(2)按照酒石酸钾钠:钴离子=6(质量比)配置酒石酸钾钠溶液100mL,并与(1)中钴离子溶液充分混合均匀;
(3)采用去离子水配置10mol/L NaOH溶液10mL,与(2)中溶液混合充分混合均匀,此时溶液颜色为透明红色或深红色;
(4)称量6g十六烷基三甲基溴化铵(CATB),加入到(3)溶液中,并采用机械搅拌,使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解;
(5)将(4)混合液放置在水浴锅中加热,当混合液温度达到70℃时,加入20mL水合肼溶液使反应进行,此时反应液出现大量气泡,反应液颜色由红色或深红色逐渐变浅;
(6)待反应结束后,收集反应物粉末,即为钴颗粒。
实施例4
(1)采用去离子水配置0.2mol/L的钴离子溶液100mL;
(2)按照酒石酸钾钠:钴离子=1(质量比)配置酒石酸钾钠溶液100mL,并与(1)中钴离子溶液充分混合均匀;
(3)采用去离子水配置1mol/L NaOH溶液10mL,与(2)中溶液混合充分混合均匀,此时溶液颜色为透明红色或深红色;
(4)称量2g十六烷基三甲基溴化铵(CATB),加入到(3)溶液中,并采用机械搅拌,使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解;
(5)将(4)混合液放置在水浴锅中加热,当混合液温度达到40℃时,加入2mL水合肼溶液使反应进行,此时反应液出现大量气泡,反应液颜色由红色或深红色逐渐变浅;
(6)待反应结束后,收集反应物粉末,即为钴颗粒。
实施例5
(1)采用去离子水配置0.1mol/L的钴离子溶液100mL;
(2)按照酒石酸钾钠:钴离子=3(质量比)配置酒石酸钾钠溶液100mL,并与(1)中钴离子溶液充分混合均匀;
(3)采用去离子水配置5mol/L NaOH溶液10mL,与(2)中溶液混合充分混合均匀,此时溶液颜色为透明红色或深红色;
(4)称量4g十六烷基三甲基溴化铵(CATB),加入到(3)溶液中,并采用机械搅拌,使十六烷基三甲基溴化铵充分溶解;
(5)将(4)混合液放置在水浴锅中加热,当混合液温度达到60℃时,加入10mL水合肼溶液使反应进行,此时反应液出现大量气泡,反应液颜色由红色或深红色逐渐变浅;
(6)待反应结束后,收集反应物粉末,即为钴颗粒。
图1-3为采用本发明方法制备得到的钴颗粒形貌图,图4为采用本发明方法制备得到的钴颗粒XRD图谱,可知,通过本发明方法制备的钴颗粒具有壳核结构,核为钴纳米片组装而成,这种结构的钴颗粒表面积更大,钴纳米片厚度为纳米尺度,且各向异性,具有多级跨尺度材料性能。这种材料可应用在电磁吸波领域,这是由于壳表面有孔洞,当电磁波达到颗粒表面是能够进入到颗粒内部,而该结构的钴颗粒内部为片层结构,这样当电磁波达到内部时,就会经过片层与片层之间多次折射,达到消耗电磁波的目的,又由于其内部为片层结构,在电磁波达到片层结构时会发生涡流损耗,从而进一步减弱电磁波。另外,金属钴在常压下有密排六方和面心立方两种结构,一般在常温时为密排六方结构,而据大量相关报道,采用液相合成法,尤其是采用水合肼还原法制备的钴颗粒多为面心立方与密排六方混合结构,且以面心立方为主,而本申请涉及钴颗粒为密排六方结构,这种密排六方结构的壳核钴颗粒并未见相关报道。另外壳核结构的材料其核为球形或方形或三角形的实体结构,而本申请涉及的壳核结构钴颗粒其核为片层组装结构,片层由中心成辐射状分布,且片与片之间存在孔隙,这种特殊形貌钴颗粒也未见报道。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将钴盐溶于去离子水中配制成钴离子溶液,将酒石酸钾钠溶于去离子水中配制成酒石酸钾钠溶液,将钴离子溶液与酒石酸钾钠溶液混合均匀,并加入碱液调节混合溶液的pH为8-13,其中,所述酒石酸钾钠与钴离子的质量比为1~6:1;
(2)在步骤(1)的混合溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵,采用机械搅拌,使之充分溶解;
(3)将步骤(2)的混合液加热,当温度达到40~70℃时,加入水合肼溶液进行反应,反应结束后,收集反应物粉末,即得到大粒径壳核结构钴颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,所述钴盐选自氯化钴、硫酸钴或硝酸钴,配制成0.05~0.2mol/L的钴离子溶液。
3.根据权利要求1所述的一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,所述碱液为NaOH或KOH溶液,浓度为1~10mol/L,使混合溶液颜色呈透明红色或深红色。
4.根据权利要求1所述的一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述十六烷基三甲基溴化铵相对于混合溶液的用量为10-30g/L。
5.根据权利要求1所述的一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述水合肼溶液相对于混合溶液的用量为10-100mL/L。
6.根据权利要求1所述的一种大粒径壳核结构钴颗粒的制备方法,其特征在于,步骤(3)加入水合肼溶液进行反应,反应液颜色由透明红色或深红色逐渐变浅时反应结束。
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